Funcionalización de óxido de grafeno con nanopartículas de paladio y su aplicación en la detección de hidrógeno

Abstract

"Graphene is a two-dimensional structure of carbon atoms with sp2 hybridization, arranged in a hexagonal array. The utility of graphene is determined by its atomic width and the mobility of charge carriers (electron and holes). The quality, number, size and structure of the graphene layers vary depending on the methods of synthesis. Although chemical exfoliation methods allow to obtain graphene derivatives in sufficient quantity, such as graphene oxide (GO), the intercalation and oxidation processes inherent to the method, may strongly affect electrical conductivity of these nanomaterials. In this thesis, the synthesis of palladium nanoparticles (PdNPs) functionalized with graphene oxide, and its evaluation in the hydrogen detection is reported. In the first section, the synthesis of graphene oxide performed by chemical exfoliation is presented, which involves concurrent acid intercalation-oxidation processes in oxidizing environments. The characterization results show that the structure of GO, simultaneously comprises carbon atoms with sp2 and sp3 hybridization with shortrange order. Subsequently, we perform in situ incorporation of palladium nanoparticles onto graphene oxide layers, taking advantage of its structural features and report on the hydrothermal synthesis method assisted by microwave (MHAM), which improved an increased chemical interaction between the two components. The results of the structural characterization of morphological and electrical conductivity, show that hydrothermal-microwave method allows, both the reduction of metal precursors and their anchorage onto highly exfoliated reduced graphene oxide, in order to obtain conductive graphene-palladium (PdGO) nanostructures with high-quality. The synthesized PdGO nanomaterial was used to fabricate prototype sensors for detecting hydrogen gas (H2) mixed in synthetic air at room temperature. The response impedance of these sensors display reproducible sensitivities, with a fast response time and recovery in a range of H2 concentration from 0.01% vol. (100 ppm) to 5% vol. (50000 ppm). Thus, it is feasible to achieve efficient H2 detection sensors, with reliable and reproducible signals through a practical and cost-effective method of preparation, under real atmospheric conditions. However, to detect H2 with such resistive sensors, a precise tuning of the electrical conductivity of the prototype sensor is required."

"El grafeno es una estructura bidimensional de átomos de carbono con hibridación sp2, dispuestos en un arreglo hexagonal. El uso del grafeno en cualquier aplicación está determinado por la calidad y cantidad del material. La calidad, cantidad, tamaño y estructura de las capas de grafeno varían en función de las aplicaciones deseadas. Si bien, los métodos de exfoliación química de grafito permiten obtener derivados de grafeno en suficiente cantidad, como es el caso del óxido de grafeno (GO); los procesos de intercalación/oxidación inherentes al método, comprometen las propiedades de conductividad eléctrica. En la presente tesis doctoral, se reporta la síntesis de nanopartículas de paladio (PdNPs) funcionalizadas en óxido de grafeno y su evaluación en la detección del gas hidrógeno. En la primera sección se realizó la síntesis de óxido de grafeno por exfoliación química, que involucra procesos concurrentes de intercalación/oxidación ácida en ambientes oxidantes. Los resultados de la caracterización muestran que la estructura de GO, comprende simultáneamente átomos de carbono con hibridación sp2 y sp3, con orden de corto alcance para cada estado. Posteriormente se realizó la incorporación in situ de las nanopartículas de paladio en óxido de grafeno, mediante el método hidrotérmico asistido por microondas (MHAM), que favorece una mayor interacción química entre ambos materiales. Los resultados de la caracterización estructural, morfológica y de conductividad eléctrica; muestran que el método MHAM permite la reducción de los precursores metálicos y su subsecuente anclaje, así como la reducción de GO, para obtener nanoestructuras conductoras de grafeno-paladio (PdGO) con alta calidad. A partir de este material se realizaron sensores prototipos para la detección del gas hidrógeno (H2), mezclado en aire sintético y a temperatura ambiente. Los resultados de la detección por impedancia mostraron que estos sensores, poseen sensibilidades muy reproducibles, con un tiempo rápido de respuesta y recuperación, en un rango de concentraciones de H2 que van desde 0.01 % vol. (100 ppm) a 5 % vol., (50000 ppm). Estos resultados muestran que es factible obtener sensores eficientes de H2, con señales fiables y reproducibles mediante un método práctico y rentable de preparación, en condiciones atmosféricas reales. Además, que la detección en este tipo de sensores resistivos, el control de la conductividad eléctrica es esencial."